CN112730092A - 一种基于失效模式一致的蠕变载荷等效加速方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于失效模式一致的蠕变载荷等效加速方法，包括以下步骤：分别进行材料高温拉伸试验、材料高温蠕变试验、材料变温变载蠕变试验，建立断裂时间规律、最小蠕变速率规律、断裂应变规律，计算得到蠕变损伤累积模型中参数p的值；对变温变载蠕变载荷的失效模式一致性区间划分；利用多级变温变载蠕变非线性损伤累积模型分别计算失效模式一致性区间中的蠕变载荷造成的损伤，并将造成的损伤按照损伤等效原则加速到失效模式一致性区间中最大的蠕变载荷状态，最终实现蠕变载荷等效加速。本发明可以将具有相同失效模式的蠕变载荷按照损伤等效的原则折算到较大的蠕变载荷状态，在保证失效模式一致的前提下，极大节省蠕变试验时间。

Description

一种基于失效模式一致的蠕变载荷等效加速方法
技术领域
本发明涉及一种蠕变载荷等效加速方法，尤其涉及一种基于失效模式一致的蠕变载荷等效加速方法。
背景技术
航空发动机、燃气轮机等工程结构长时间工作在高温、高应力环境下，并且其功率状态往往处于不断变化的过程当中，不可避免的经受变温变载蠕变载荷的作用，最终导致失效。但是工程结构往往寿命长达数千甚至上万小时，若采用实际工作状态下的蠕变载荷进行试验以考核其寿命和可靠性，存在试验时间长、花费代价高等劣势，因此必须要保证在失效模式一致的前提下进行蠕变载荷的等效加速来缩短试验时间，也就是将小的蠕变载荷基于失效模式一致以及损伤等效原则加速到大的蠕变载荷状态。但是目前的蠕变载荷等效加速方法并没有考虑失效模式一致原则，并且采用的损伤等效加速方法精度低，使得试验结果与实际工程应用寿命存在较大偏差。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于失效模式一致的蠕变载荷等效加速方法，以更为简单精确地进行蠕变载荷的等效加速。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于失效模式一致的蠕变载荷等效加速方法，包括以下步骤：
步骤1，通过材料高温拉伸试验获得不同温度Ti下对应的抗拉强度σbi，其中i＝1,2,3......,n；
步骤2，通过材料高温蠕变试验获得不同应力温度(σi,Ti)下对应的蠕变断裂时间tf、断裂应变εf、最小蠕变速率
Figure BDA0002855111440000011
步骤3，建立断裂时间规律、最小蠕变速率规律、断裂应变规律，进而求得对应的应力温度(σi,Ti)组合下的蠕变损伤容限因子；
步骤4，通过材料变温变载蠕变试验获得每一级应力温度(σi,Ti)组合下的蠕变持续时间ti；
步骤5，基于多级变温变载蠕变非线性损伤累积模型，结合步骤1得到的各级温度下的抗拉强度σbi，步骤2得到的各级应力温度(σi,Ti)组合下的断裂时间tfi，步骤4得到的各级变温变载蠕变持续时间ti，计算得到蠕变损伤累积模型中参数p的值；
步骤6，根据步骤3得到的蠕变损伤容限因子，计算得到每一级蠕变载荷对应的损伤容限因子值λ，根据损伤容限因子值λ，对变温变载蠕变载荷的失效模式一致性区间划分；
步骤7，利用多级变温变载蠕变非线性损伤累积模型分别计算失效模式一致性区间中的蠕变载荷造成的损伤，并将造成的损伤按照损伤等效原则加速到失效模式一致性区间中最大的蠕变载荷状态，最终实现蠕变载荷等效加速。
所述步骤1中，材料高温拉伸试验在电液伺服疲劳试验机上进行。
所述步骤2中，材料高温蠕变试验在蠕变试验机上进行，进行一系列不同应力温度(σi,Ti)组合下的蠕变试验。
所述步骤3中，基于步骤2得到的蠕变断裂时间tf、断裂应变εf、最小蠕变速率
Figure BDA0002855111440000021
抗拉强度σb和温度T，建立断裂时间规律
Figure BDA0002855111440000022
最小蠕变速率规律
Figure BDA0002855111440000023
断裂应变规律
Figure BDA0002855111440000024
进而求得对应的应力温度(σi,Ti)组合下的蠕变损伤容限因子
Figure BDA0002855111440000025
其中，e为自然指数，k1、k2、u、v、α为拟合参数，R为气体常数R＝8.314J/(mol*K)，
Figure BDA0002855111440000026
为蠕变激活能，εfmax、εfmin分别为最大断裂应变、最小断裂应变，
Figure BDA0002855111440000027
为中值断裂应变即
Figure BDA0002855111440000028
对应的最小蠕变速率值。
所述步骤4中，材料变温变载蠕变试验在蠕变试验机上进行，进行多级应力温度组合下的变温变载蠕变试验，直到材料发生蠕变断裂，获得每一级应力温度(σi,Ti)组合下的蠕变持续时间ti。
所述步骤4中，材料变温变载蠕变试验采用人工手动或电脑控制方式实现应力和温度的变化。
所述步骤5中，基于多级变温变载蠕变非线性损伤累积模型为：
Figure BDA0002855111440000031
其中，
Figure BDA0002855111440000032
所述步骤5中，p取多组试验下的平均值。
所述步骤6中，当1<λ<2.5时，失效模式为晶界空洞，当2.5<λ<5时，失效模式为颈缩，当λ>5时，失效模式为沉淀物粗化为主的微观组织结构不稳定；将损伤容限因子分别介于1<λ<2.5、2.5<λ<5、λ>5的相邻变温变载蠕变载荷等效加速到一致损伤区间的最大蠕变状态，实现对变温变载蠕变载荷的失效模式一致性区间划分。
有益效果：本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明提出的一种基于失效模式一致的蠕变载荷等效加速方法，只需进行高温拉伸试验、高温蠕变试验以及一定数量的变温变载蠕变试验，获得对应温度下的抗拉强度σbi，对应应力温度下的蠕变断裂时间tf、断裂应变εf、最小蠕变速率
Figure BDA0002855111440000033
以及各级载荷作用的蠕变持续时间ti，所需参数少，试验简单，成本低；
2、本发明提出的一种基于失效模式一致的蠕变载荷等效加速方法，考虑了失效模式一致原则，可保证在加速前后蠕变载荷的失效模式一致；
3、本发明提出的一种基于失效模式一致的蠕变载荷等效加速方法，采用了非线性蠕变损伤累积模型，考虑了蠕变载荷次序以及相互作用的影响，可精确地计算变温变载蠕变载荷造成的损伤，精度高。
附图说明
图1是断裂应变拟合示意图；
图2是最小蠕变速率随1/T的拟合示意图；
图3是断裂时间拟合示意图；
图4是最小蠕变速率拟合示意图；
图5是失效模式一致的蠕变载荷等效加速方法示意图；
图6是多级变温变载蠕变载荷示意图；
图7是三级变温变载蠕变载荷；
图8是五级变温变载蠕变载荷；
图9是基于失效模式一致以及等效加速后的三级蠕变载荷。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
本发明的一种基于失效模式一致的蠕变载荷等效加速方法，包括以下步骤：
步骤1，通过材料高温拉伸试验获得不同温度Ti下对应的抗拉强度σbi，其中i＝1,2,3......,n。
步骤2，通过材料高温蠕变试验获得不同应力温度(σi,Ti)下对应的蠕变断裂时间tf、断裂应变εf、最小蠕变速率
Figure BDA0002855111440000041
步骤3，基于步骤2得到的蠕变断裂时间tf、断裂应变εf、最小蠕变速率
Figure BDA0002855111440000042
抗拉强度σb和温度T，建立断裂时间规律
Figure BDA0002855111440000043
最小蠕变速率规律
Figure BDA0002855111440000044
断裂应变规律
Figure BDA0002855111440000045
进而求得对应的应力温度(σi,Ti)组合下的蠕变损伤容限因子
Figure BDA0002855111440000046
其中，e为自然指数，k1、k2、u、v、α为拟合参数，R为气体常数R＝8.314J/(mol*K)，
Figure BDA0002855111440000047
为蠕变激活能，εfmax、εfmin分别为最大断裂应变、最小断裂应变，
Figure BDA0002855111440000048
为中值断裂应变即
Figure BDA0002855111440000051
对应的最小蠕变速率值，断裂应变随最小蠕变速率的拟合示意图如图1所示。
蠕变激活能
Figure BDA0002855111440000052
可通过最小蠕变速率
Figure BDA0002855111440000053
随试验温度的倒数1/T的试验结果拟合得到，拟合公式为
Figure BDA0002855111440000054
最小蠕变速率随1/T的拟合示意图如图2所示，蠕变激活能
Figure BDA0002855111440000055
可由拟合得到的斜率值
Figure BDA0002855111440000056
计算得到。
根据试验数据拟合得到的断裂时间以及最小蠕变速率示意图分别如图3、图4所示。
通过上述建立的断裂时间规律
Figure BDA0002855111440000057
最小蠕变速率规律
Figure BDA0002855111440000058
断裂应变规律
Figure BDA0002855111440000059
可以得到任意应力温度(σ,T)组合下的断裂时间tf、最小蠕变速率
Figure BDA00028551114400000510
以及断裂应变εf，并利用蠕变损伤容限因子
Figure BDA00028551114400000511
得到对应的损伤容限因子λ值。
步骤4，通过进行多级应力温度组合下的变温变载蠕变试验，直到材料发生蠕变断裂，获得每一级应力温度(σi,Ti)组合下的蠕变持续时间ti。
步骤5，基于多级变温变载蠕变非线性损伤累积模型：
Figure BDA00028551114400000512
其中，
Figure BDA00028551114400000513
结合步骤1得到的各级温度下的抗拉强度σbi，步骤2得到的各级应力温度(σi,Ti)组合下的断裂时间tfi，步骤4得到的各级变温变载蠕变持续时间ti，计算得到蠕变损伤累积模型中参数p的值；为减小误差，p可取多组试验下的平均值。
步骤6，根据步骤3得到的蠕变损伤容限因子，计算得到每一级蠕变载荷对应的损伤容限因子值λ，根据损伤容限因子值λ，对变温变载蠕变载荷的失效模式一致性区间划分；当1<λ<2.5时，失效模式为晶界空洞，当2.5<λ<5时，失效模式为颈缩，当λ>5时，失效模式为沉淀物粗化为主的微观组织结构不稳定。可将损伤容限因子分别介于1<λ<2.5、2.5<λ<5、λ>5的相邻变温变载蠕变载荷等效加速到一致损伤区间的最大蠕变状态，实现对变温变载蠕变载荷的失效模式一致性区间划分。
步骤7，利用多级变温变载蠕变非线性损伤累积模型分别计算失效模式一致性区间中的蠕变载荷造成的损伤，并将造成的损伤按照损伤等效原则加速到失效模式一致性区间中最大的蠕变载荷状态，最终实现蠕变载荷等效加速，其示意图如图5所示。
其中，材料高温拉伸试验在电液伺服疲劳试验机上进行，材料高温蠕变试验、材料变温变载蠕变试验在蠕变试验机上进行。材料变温变载蠕变试验采用人工手动或电脑控制方式实现应力和温度的变化。材料高温拉伸试验目的在于获得材料在温度Ti下对应的抗拉强度σbi。材料高温蠕变试验分别在一系列不同的应力温度(σi,Ti)组合条件下进行，直到材料发生蠕变断裂，获得在不同应力温度(σi,Ti)条件下对应的蠕变断裂时间tf、断裂应变εf、最小蠕变速率
Figure BDA0002855111440000061
材料变温变载蠕变试验在蠕变试验机上进行，开展一定数量的多级应力温度组合下的变温变载蠕变试验，每一级温度应力(σi,Ti)组合下的蠕变持续时间为ti，直到材料发生蠕变断裂。所施加的多级变温变载蠕变载荷如图6所示。
下面结合实施例做进一步说明。
实施例
在本实施例中，将本发明提出的一种基于失效模式一致的蠕变载荷等效加速方法应用到不锈钢材料的蠕变载荷等效加速中，包括以下步骤：
(1)在100℃、139℃、190℃下进行材料高温拉伸试验，得到抗拉强度σb分别为450MPa、432MPa、405MPa。
(2)在100℃、139℃、190℃下分别进行应力为200MPa、250MPa、300MPa的高温蠕变试验，得到对应的蠕变断裂时间tf、断裂应变εf、最小蠕变速率
Figure BDA0002855111440000071
(3)基于步骤2得到的最小蠕变速率
Figure BDA0002855111440000072
以及应力σ和温度T试验条件，利用
Figure BDA0002855111440000073
拟合最小蠕变速率随1/T的关系，得到拟合直线斜率
Figure BDA0002855111440000074
求得蠕变激活能
Figure BDA0002855111440000075
根据蠕变断裂时间tf、断裂应变εf、最小蠕变速率
Figure BDA0002855111440000076
抗拉强度σb，结合应力σ和温度T试验条件，得到断裂时间规律为
Figure BDA0002855111440000077
最小蠕变速率规律
Figure BDA0002855111440000078
断裂应变规律
Figure BDA0002855111440000079
(4)开展2组三级变温变载蠕变试验，直到发生断裂，记录下每级载荷对应的蠕变持续时间ti，2组三级变温变载蠕变试验如图7所示。
(5)利用三级非线性损伤累积模型
Figure BDA00028551114400000710
其中，
Figure BDA00028551114400000711
Figure BDA00028551114400000712
断裂时D＝1。根据步骤1所得的抗拉强度σb、步骤2所得的断裂时间tf、以及步骤4各级载荷持续时间ti，可求得损伤累积模型中的参数p为0.54、0.56，取平均值得到p＝0.55。
(6)对于图8所示的五级变温变载蠕变载荷，根据步骤3建立的损伤容限因子规律，可以计算每一级蠕变载荷对应的损伤容限因子值λ分别为1.3、2.1、3.7、5.4、6.2。可见，第一、二级蠕变载荷在同一失效模式区间，第四、五级载荷在同一失效模式区间。
(7)利用多级损伤累积模型
Figure BDA0002855111440000081
其中，
Figure BDA0002855111440000082
p＝0.55，结合步骤1、步骤3求得各级应力温度(σi,Ti)对应的抗拉强度σb、断裂时间tf，以及各级应力温度(σi,Ti)对应的持续时间ti，计算得到第一、二级蠕变载荷产生的损伤为0.23，第三级蠕变载荷产生的损伤为0.11，第四、五级蠕变载荷产生的损伤为0.34。在保证失效模式一致以及损伤等效的前提下，将第一级载荷等效加速到第二级载荷，有：
Figure BDA0002855111440000083
得到等效时间
Figure BDA0002855111440000084
将第四级载荷等效加速到第五级载荷，有：
Figure BDA0002855111440000085
得到等效时间
Figure BDA0002855111440000086
基于失效模式一致以及损伤等效的蠕变载荷如图9所示，蠕变时间从340h加速到了212小时。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于失效模式一致的蠕变载荷等效加速方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，通过材料高温拉伸试验获得不同温度Ti下对应的抗拉强度σbi，其中i＝1,2,3......,n；
步骤2，通过材料高温蠕变试验获得不同应力温度(σi,Ti)下对应的蠕变断裂时间tf、断裂应变εf、最小蠕变速率
Figure FDA0002855111430000011
步骤3，建立断裂时间规律、最小蠕变速率规律、断裂应变规律，进而求得对应的应力温度(σi,Ti)组合下的蠕变损伤容限因子；
步骤4，通过材料变温变载蠕变试验获得每一级应力温度(σi,Ti)组合下的蠕变持续时间ti；
步骤5，基于多级变温变载蠕变非线性损伤累积模型，结合步骤1得到的各级温度下的抗拉强度σbi，步骤2得到的各级应力温度(σi,Ti)组合下的断裂时间tfi，步骤4得到的各级变温变载蠕变持续时间ti，计算得到蠕变损伤累积模型中参数p的值；
步骤6，根据步骤3得到的蠕变损伤容限因子，计算得到每一级蠕变载荷对应的损伤容限因子值λ，根据损伤容限因子值λ，对变温变载蠕变载荷的失效模式一致性区间划分；
步骤7，利用多级变温变载蠕变非线性损伤累积模型分别计算失效模式一致性区间中的蠕变载荷造成的损伤，并将造成的损伤按照损伤等效原则加速到失效模式一致性区间中最大的蠕变载荷状态，最终实现蠕变载荷等效加速。
2.根据权利要求1所述的基于失效模式一致的蠕变载荷等效加速方法，其特征在于：所述步骤1中，材料高温拉伸试验在电液伺服疲劳试验机上进行。
3.根据权利要求1所述的基于失效模式一致的蠕变载荷等效加速方法，其特征在于：所述步骤2中，材料高温蠕变试验在蠕变试验机上进行，进行一系列不同应力温度(σi,Ti)组合下的蠕变试验。
4.根据权利要求1所述的基于失效模式一致的蠕变载荷等效加速方法，其特征在于：所述步骤3中，基于步骤2得到的蠕变断裂时间tf、断裂应变εf、最小蠕变速率
Figure FDA0002855111430000012
抗拉强度σb和温度T，建立断裂时间规律
Figure FDA0002855111430000021
最小蠕变速率规律
Figure FDA0002855111430000022
断裂应变规律
Figure FDA0002855111430000023
进而求得对应的应力温度(σi,Ti)组合下的蠕变损伤容限因子
Figure FDA0002855111430000024
其中，e为自然指数，k1、k2、u、v、α为拟合参数，R为气体常数R＝8.314J/(mol*K)，
Figure FDA0002855111430000025
为蠕变激活能，εfmax、εfmin分别为最大断裂应变、最小断裂应变，
Figure FDA0002855111430000026
为中值断裂应变即
Figure FDA0002855111430000027
对应的最小蠕变速率值。
5.根据权利要求1所述的基于失效模式一致的蠕变载荷等效加速方法，其特征在于：所述步骤4中，材料变温变载蠕变试验在蠕变试验机上进行，进行多级应力温度组合下的变温变载蠕变试验，直到材料发生蠕变断裂，获得每一级应力温度(σi,Ti)组合下的蠕变持续时间ti。
6.根据权利要求5所述的基于失效模式一致的蠕变载荷等效加速方法，其特征在于：所述步骤4中，材料变温变载蠕变试验采用人工手动或电脑控制方式实现应力和温度的变化。
7.根据权利要求1所述的基于失效模式一致的蠕变载荷等效加速方法，其特征在于：所述步骤5中，基于多级变温变载蠕变非线性损伤累积模型为：
Figure FDA0002855111430000028
其中，
Figure FDA0002855111430000029
8.根据权利要求1所述的基于失效模式一致的蠕变载荷等效加速方法，其特征在于：所述步骤5中，p取多组试验下的平均值。
9.根据权利要求1所述的基于失效模式一致的蠕变载荷等效加速方法，其特征在于：所述步骤6中，当1<λ<2.5时，失效模式为晶界空洞，当2.5<λ<5时，失效模式为颈缩，当λ>5时，失效模式为沉淀物粗化为主的微观组织结构不稳定；将损伤容限因子分别介于1<λ<2.5、2.5<λ<5、λ>5的相邻变温变载蠕变载荷等效加速到一致损伤区间的最大蠕变状态，实现对变温变载蠕变载荷的失效模式一致性区间划分。
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